ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN
PARA MÁQUINA SÍNCRONA
Autor: Francisco de Asís Salas Igea
Director: Pablo Frías Marín
Francisco de Asís Salas Igea
Fdo.: Fecha: / /
Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial
EL DIRECTOR DEL PROYECTO Pablo Frías Marín
Fdo.: Fecha: / /
Vº Bº del Coordinador de Proyectos Fernando de Cuadra García
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REGULADOR
AUTOMÁTICO DE TENSIÓN PARA MÁQUINA SÍNCRONA
Autor: Salas Igea, Francisco de Asís
Director: Frías Marín, Pablo
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
Resumen
Los reguladores automáticos de tensión son un elemento fundamental para el buen funcionamiento de las máquinas síncronas, especialmente cuando funcionan como ge-neradores de energía eléctrica.
La tensión en bornes de las máquinas síncronas depende directamente de la co-rriente de excitación que circule por el rotor (coco-rriente continua), pero puede verse afec-tada por mucho factores externos como la carga a la que la máquina esté conecafec-tada, la velocidad de rotación o la temperatura de los devanados. Los reguladores automáticos de tensión permiten mantener la tensión en bornes de la máquina constante e indepen-diente de los factores externos que puedan afectar a su valor.
Esta regulación es fundamental no solo para el funcionamiento de la máquina, sino también para garantizar la calidad de suministro y seguridad en los sistemas que los ge-neradores alimentan, tanto si son sistemas de potencia infinita como si son sistemas ais-lados (especialmente si son sistemas aisais-lados).
El principio de funcionamiento de estos reguladores se basa en la manipulación de la corriente de excitación del rotor. Para ello deben actuar sobre el sistema de excitación o excitatriz, que puede ser de muchos tipos, clasificados en excitatrices estáticas o rota-tivas. Para realizar la regulación automática básicamente se mide la tensión de salida de la máquina, se compara con una referencia, y se actúa en consecuencia aumentando o disminuyendo la corriente del rotor.
El presente proyecto trata sobre el diseño y construcción de un regulador
automá-tico de tensión para máquinas síncronas pequeñas con sistemas de excitación estáautomá-ticos, en el que se incluye la protección con un limitador de corriente máxima de rotor. Los objetivos principales comprendían el diseño de un hardware de medida, control y poten-cia, así como de un software de control, la construcción de un prototipo y la comproba-ción de su funcionamiento en una serie de ensayos con una máquina síncrona del labo-ratorio de máquinas eléctricas de la ETSI ICAI.
El control del regulador se ha llevado a cabo mediante una placa Arduino UNO, que es una plataforma de hardware libre con un microcontrolador de la casa ATmel y un en-torno de desarrollo, en el que se ha implantado un algoritmo de control proporcional (P). Para la etapa de potencia se ha diseñado un rectificador de diodos y un chopper para controlar la corriente continua, basado en un transistor IGBT.
Los resultados conseguidos fueron satisfactorios, se consiguió la regulación de ten-sión de la máquina en vacío (ver figura, respuesta a escalón en vacío), y también ante variaciones en la carga en un ensayo de carga. El limitador de corriente también se com-probó y funcionó según lo esperado.
RESPUESTA A ESCALÓN EN REFERENCIA, EN VACÍO
Se ha conseguido desarrollar un dispositivo que permite disponer de las funciona-lidades básicas de un regulador de tensión a un coste muy bajo, apenas 100 €, y con mucho margen para futuras mejoras.
49 49.5 50 50.5 51 51.5 52 52.5 53 0
50 100 150 200 250
[
V
]
[ s ]
Detalle de respuesta a escalon de 230 V
Referencia Respuesta
DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AUTOMATIC
VOLTAGE REGULATOR FOR SYNCHRONOUS MACHINES
Author: Salas Igea, Francisco de Asís
Supervisor: Frías Marín, Pablo
Cooperating Institution: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
Abstract
The automatic voltage regulators are a fundamental component for the proper op-eration of the synchronous machines, primarily when they work as electricity generators.
The voltage at terminals of synchronous machines depends directly on the excita-tion current that flows through the rotor (direct current), but can be affected by many external factors such as the load at which the machine is connected, the rotation speed or the temperature of the windings. The automatic voltage regulators enable to keep the voltage of the machine constant and independent of external factors that may affect its value.
This regulation is fundamental not only for the proper working of the machine, but also to ensure the quality and security of supply of the systems fed by the generators, whether they are infinite power systems or isolated systems (especially if they are iso-lated systems).
The principle of operation of these regulators is based on changing the rotor exci-tation current. To do so they must act on the system of exciexci-tation or exciter, which can be of many types, classified as static or rotary exciters. To perform the automatic regula-tion the output voltage is measured, then it is compared to a reference, and it work thus increasing or decreasing the rotor current.
This project deals with the design and construction of an automatic voltage regula-tor for small synchronous machines with static excitation systems, and includes a maxi-mum rotor current limiter protection. The main objectives included a hardware design of measurement, control and power, as well as a software control, the construction of a prototype and the verification of its operation in some tests made with a synchronous machine of the ETSI ICAI electric machines laboratory.
The control part was carried out by an Arduino UNO, which is a free hardware plat-form with a microcontroller from ATmel and a development environment, which has im-plemented a proportional control (P) algorithm. For the power part has been designed a diode bridge rectifier and a chopper to control DC power, based on an IGBT transistor.
The results were satisfactory, got the voltage regulation of the machine in a non-load test (see figure, step response in non-non-load test), and also to variations in the non-load in a load test. The current limiter was also checked and worked as expected.
REFERENCE STEP RESPONSE, NON-LOAD TEST
We have managed to develop a device that allows the basic functions of an auto-matic voltage regulator at a very low cost, almost 100€, and with much scope for future improvements.
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Detalle de respuesta a escalon de 230 V
Referencia Respuesta
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
REGULADOR AUTOMÁTICO DE TENSIÓN
PARA MÁQUINA SÍNCRONA
Autor: Francisco de Asís Salas Igea
Director: Pablo Frías Marín
Í
NDICE
Introducción ... 11
Estructura del proyecto ... 11
Motivación y justificación del proyecto ... 13
Objetivos y alcance del proyecto ... 15
Introducción ... 19
La máquina síncrona ... 19
Importancia de la regulación de tensión ... 22
3.1. Importancia de la regulación de tensión en máquinas síncronas ... 22
3.2. Importancia de la regulación de tensión en sistemas eléctricos ... 23
Regulación automática de tensión en máquinas síncronas. ... 26
4.1. Tipos de excitatrices ... 26
Revisión de fabricantes ... 31
Conclusiones ... 35
Introducción ... 39
Diseño del Hardware ... 39
2.1. Especificación técnica ... 39
2.2. Módulo de medida ... 40
2.4. Módulo de control ... 49
2.5. Resumen de módulos y componentes ... 52
Diseño del Software ... 53
3.1. Software de medida ... 53
3.2. Software de control ... 55
Conclusiones ... 59
Introducción ... 63
Diseño del prototipo del regulador ... 63
Calibración de sensores ... 67
3.1. Resultados del ensayo de calibración del sensor de tensión ... 67
3.2. Resultados del ensayo de calibración del sensor de corriente... 69
Ensayos de prueba del prototipo ... 70
4.1. Ensayo 1: Seguimiento del regulador a variaciones en referencia .... 71
4.2. Ensayo 2. Seguimiento a escalón en referencia ... 74
4.3. Ensayo 3. Ensayo de variación de carga ... 79
Conclusiones ... 84
Introducción ... 87
Estimación de horas de trabajo ... 87
Presupuesto ... 89
3.1. Coste de las horas de trabajo ... 89
3.2. Coste de los componentes y materiales ... 89
3.3. Resumen del presupuesto ... 90
Introducción ... 95
Conclusiones del proyecto ... 95
Futuros desarrollos ... 97
Anexo I: Esquemas eléctricos...111
Anexo II: Datasheets...121
Anexo III: Código fuente...146
Figura 1 | Esquema de una excitatriz independiente ... 27
Figura 2 | Esquema de un generador autoexcitado ... 28
Figura 3 | Esquema de una excitatriz con máquina de continua ... 28
Figura 4 | Esquema de una excitatriz con máquina síncrona ... 30
Figura 5 | Circuito de medida de tensión ... 42
Figura 6 | Circuito de medida de corriente ... 43
Figura 7| Tiristor (símbolo eléctrico) ... 44
Figura 8 | Rectificador controlado doble onda monofásico ... 45
Figura 9 | Chopper directo o reductor de tensión... 46
Figura 10 | Transistor IGBT (símbolo) ... 47
Figura 11 | Curvas características IGBT ... 48
Figura 12 | Circuito de potencia ... 49
Figura 13 | Circuito para introducir referencia ... 52
Figura 14 | Diagrama de bloques del regulador ... 55
Figura 15 | Ejemplo de PWM con ciclo de trabajo 103 ... 56
Figura 16 | Problema de resolución en el seguimiento de referencia ... 58
Figura 17 | Tarjeta de medida de tensión ... 64
Figura 19 | Tarjeta de potencia ... 65
Figura 20 | Conexión de tarjetas con Arduino ... 65
Figura 21 | Esquema ensayos en vacío ... 71
Figura 22 | Seguimiento a variaciones en referencia suaves ... 73
Figura 23 | Respuesta a escalón de 50 V ... 74
Figura 24 | Detalle de Respuesta a escalón de 50 V ... 75
Figura 25 | Respuesta a escalón de 100 V ... 75
Figura 26 | Detalle de respuesta a escalón de 100 V ... 76
Figura 27 | Respuesta a escalón de 230 V ... 76
Figura 28 | Detalle de respuesta a escalón de 230 V ... 77
Figura 29 | Detalle de respuesta a escalón de -230 V ... 77
Figura 30 | Detalle de la respuesta de seguimiento a 230 V ... 79
Figura 31 | Esquema ensayo de carga ... 80
Figura 32 | Ensayo de Carga ... 82
Tabla 1 | Especificaciones máquina en la que se va a implementar el regulador . 40 Tabla 2 | Características del transductor LEM LTS 6-NP ... 43
Tabla 3 | Características mínimas diodos de potencia ... 48
Tabla 4 | Comparativa de modelos Arduino ... 50
Tabla 5 | Entradas y salidas Arduino ... 52
Tabla 6 | Resultados Calibración sensor de tensión ... 68
Tabla 7 | Resultados Medida de Tensión con sensor ya calibrado ... 68
Tabla 8 | Resultados de calibración del sensor de corriente ... 69
Tabla 9 | Resultados de medida de corriente con el sensor ya calibrado ... 70
Tabla 10 | Estimación de horas de trabajo en el desarrollo del regulador ... 88
Tabla 11 | Estimación de horas de trabajo en la fabricación del regulador ... 88
Imagen 1 | Sección de una máquina síncrona ... 20
Imagen 2 | SVC Capacitivo en Juna Downs, Australia ... 25
Imagen 3 | Tarjeta Arduino Uno ... 51
Imagen 4 | Prototipo ... 66
Imagen 5 | Máquina síncrona (izda.) y asíncrona (dcha.) del grupo 5 del laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI ... 71
Imagen 6 | Montaje del ensayo de carga ... 79
Imagen 7 | Tensión de rotor ... 82
Imagen 8 | Tensión de salida de la máquina síncrona ... 83
Documento 1
Introducción
El proyecto que se presenta en este documento trata sobre el desarrollo de un re-gulador automático de tensión para máquinas síncronas, comúnmente conocido como AVR por sus siglas en Inglés (Automatic Voltage Regulator) o también, aunque de forma menos extendida, como RAT, por sus siglas en español.
Este proyecto, aunque no trata sobre una idea original o innovadora en cuanto al concepto, sí lo hace en cuanto a la forma o al diseño concreto, que es completamente original y trata de satisfacer ciertas dificultades o cuestiones desfavorables que los AVR presentan a día de hoy. Los AVR han sido desarrollados en paralelo a la introducción de las máquinas síncronas en los sistemas eléctricos durante el siglo XX, ya que son un com-ponente fundamental para el correcto funcionamiento de éstas. Inicialmente se trataban de dispositivos electromecánicos y en la actualidad, con la aparición y desarrollo de la electrónica, la mayoría son completamente electrónicos.
El diseño que se presenta aúna las características de los más modernos reguladores automáticos de tensión, basado en electrónica de potencia y controlado por un micro-controlador, y trata de aportar lo máximo posible dentro de las limitaciones de medios materiales y sobre todo de tiempo disponible que un proyecto de este tipo tiene.
Estructura del proyecto
Este proyecto se estructura en dos documentos, la memoria y los anexos. La me-moria recoge las principales secciones del proyecto, destacando el diseño, resultado de los ensayos y análisis económico. En los anexos se detallan aspectos complementarios que no se incluyen en el documento principal.
2.1.
Memoria
La memoria es el documento principal del proyecto. Se ha dividido en siete capítu-los, introducción, diseño, ensayos y resultados, análisis económico, conclusiones y refe-rencias.
La introducción pretende poner en situación el proyecto, detallando su estructura,
objetivos, alcance y la motivación o justificación del proyecto.
El segundo capítulo se titula reguladores de tensión en máquinas síncronas, y no es más que una introducción conceptual al proyecto. Trata de presentar los conceptos teó-ricos relevantes de las máquinas síncronas y su regulación de tensión, así como justificar la importancia que tiene esta regulación. Por último se hace una revisión de los principa-les fabricantes comerciaprincipa-les de reguladores automáticos de tensión.
En el tercer capítulo se acomete el diseño del regulador. Se comienza con el diseño del hardware o soporte físico del regulador, escogiendo los equipos y componentes ne-cesarios y diseñando los circuitos y conexiones eléctricas. En segundo lugar se presenta el diseño del software, en el que se describe la lógica de las distintas partes del programa.
Los resultados de los ensayos realizados al regulador una vez construido se presen-tan en el cuarto capítulo. Se presenpresen-tan los resultados a dos tipos de ensayos, los ensayos de calibración de sensores y los ensayos de comprobación del funcionamiento del proto-tipo.
El quinto capítulo se trata de un detallado análisis económico del AVR. Se estudian los costes de los componentes y fabricación del regulador, así como los costes del desa-rrollo de la aplicación y del software.
En el sexto capítulo se recogen las conclusiones finales del proyecto y se analizan los posibles futuros desarrollos que no ha sido posible abarcar en este proyecto. El último capítulo contiene las referencias usadas para el desarrollo del proyecto.
2.2.
Anexos
En los anexos se incluye documentación e información complementaria y más de-tallada de algunos aspectos mencionados en la memoria. En este proyecto se han incluido tres anexos, el primero con los esquemas eléctricos, más completos y detallados que los que se presentan en la memoria, el segundo con las datasheets de los elementos rele-vantes del hardware, y el tercero con el código fuente completo del software.
Motivación y justificación del proyecto
La necesidad de reguladores automáticos de tensión en máquinas síncronas se jus-tifica en el capítulo 2 de esta Memoria. En este apartado lo que pretende jusjus-tificarse es la necesidad de este proyecto, lo que pretende aportar y lo que ha motivado su realiza-ción.
Como ya se ha apuntado, la idea de regular la tensión automáticamente en las má-quinas síncronas no es original o novedosa porque, de hecho, es un control fundamental para el buen funcionamiento de estas máquinas. La motivación de realizar este proyecto tiene una base académica, el desarrollo completo de una aplicación en el contexto de un proyecto fin de carrera. Pero el proyecto perdería mucho de su interés e incluso de sus objetivos si su única motivación fuera académica. Efectivamente existen otros motivos que dan valor y justifican este proyecto.
En primer lugar, los AVR comerciales que existen actualmente suelen ser dispositi-vos complejos y opacos, en el sentido de que su principio de funcionamiento no es acce-sible, como es natural dada su naturaleza comercial y la competencia existente. El diseño que se propone no solo es sencillo y fácil de construir (cualquiera con conocimientos bá-sicos de electrónica podría hacerlo), sino que además está basado en una plataforma de hardware libre y código abierto como es Arduino, lo que lo hace completamente accesi-ble para cualquier persona que quiera construirlo y/o usarlo.
Por otro lado, los reguladores comerciales tienen precios bastante altos, pero el modelo que se presenta, como se puede observar en el análisis económico, es de cons-trucción muy barata. En este tipo de productos el desarrollo del software y del hardware es lo que más los encarece ya que, una vez diseñado, los componentes y la construcción tienen un coste bajo. En este caso, al tratarse de un proyecto Open Source, el único coste que tiene construirlo es el de los componentes y la propia mano de obra del que lo cons-truya. Proyectos sin ánimo de lucro como proyectos de cooperación al desarrollo pueden beneficiarse del bajo coste de este regulador dado que su diseño es público.
Por otro lado, aunque el concepto no es original, el proyecto sí desarrolla un diseño
novedoso e innovador. El control se realiza mediante un microcontrolador de ATmel (el que incorpora la tarjeta Arduino), y se basa en generar una señal PWM que envía a una etapa de potencia. La etapa de potencia incorpora un transistor IGBT para controlar la corriente continua del rotor, controlado directamente por la señal generada desde el mi-crocontrolador, sin necesidad de drivers o circuitos adaptadores.
Objetivos y alcance del proyecto
Este proyecto posee las limitaciones propias de un proyecto fin de carrera en cuanto a medios físicos y tiempo disponible para su desarrollo. Los objetivos generales y específicos que el proyecto pretende desarrollar son los siguientes:
Realización de un estudio introductorio sobre el estado actual de la tecnología de regulación automática de tensión en máquinas síncronas.
Diseño de un regulador automático de tensión para máquinas síncronas aten-diendo varios objetivos específicos:
- Decidir el sistema de excitación de la máquina, sobre el que actuará el regulador.
- Decidir las especificaciones del regulador, rango de potencias de máqui-nas que podrá controlar, funciones adicionales que incluirá (de control y protección de la máquina). En cuanto a control solo se realizará el con-trol de la tensión (no concon-trol de potencia reactiva o factor de potencia), por las limitaciones del proyecto.
- Diseño del regulador cumpliendo las especificaciones decididas anterior-mente.
Desarrollo del hardware en el laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI, prueba y calibración del regulador.
Desarrollo del software que se implementará en el microcontrolador de la placa Arduino. El control que se programará será un control proporcional (P), dadas las limitaciones del proyecto.
Realización de un análisis económico del desarrollo anterior.
Identificación de posibles futuros desarrollos que pueden mejorar y/o completar el proyecto actual.
Capítulo 2:
Reguladores de
tensión en máquinas síncronas
Introducción
En este capítulo se ha tratado de resumir la importancia y los principios de funcio-namiento de los reguladores automáticos de tensión para máquinas síncronas. Para ello se ha comenzado con una breve introducción a las máquinas síncronas, su uso, limitacio-nes y principios de funcionamiento. A continuación se ha desarrollado la importancia que tiene la regulación de tensión para las máquinas síncronas y para los sistemas a los que se conectan, para después describir detalladamente las diferentes maneras de realizar esta regulación. Por último se ha completado una revisión de los principales fabricantes comerciales de reguladores automáticos de tensión y de las características de sus pro-ductos.
La máquina síncrona
El generador síncrono fue desarrollado durante el siglo XIX junto con otras muchas invenciones eléctricas, pero su importancia para los sistemas eléctricos no llegaría hasta años más tarde con la implantación del sistema trifásico de corriente alterna para la dis-tribución de electricidad. La primera máquina síncrona trifásica fue construida por el in-geniero alemán Friedrich August Haselwander en el año 1887. Se trataba de una máquina de polos salientes (dos pares de polos) y de imanes permanentes. Actualmente la mayoría de los generadores eléctricos, tanto de las grandes centrales como de pequeñas instala-ciones, son máquinas síncronas.
Una máquina síncrona es una máquina eléctrica cuya velocidad de rotación está estrechamente vinculada con la frecuencia de la red a la que están conectadas o, lo que es lo mismo, la frecuencia de la electricidad que generan depende directamente de la velocidad de rotación. Como todo convertidor electromecánico de energía, están some-tidas al principio de reciprocidad electromagnética, es decir que pueden funcionar como generador o como motor.
Constructivamente están formadas por un estator de chapas magnéticas con un
devanado trifásico (inducido), y un rotor con un devanado de campo por el que circulará corriente continua. Según el tipo de máquina el rotor puede ser liso o de polos salientes, y tener indistintamente cualquier número de pares de polos (habitualmente dos aunque en máquinas grandes puede llegarse a muchos más). En algunas máquinas el rotor está formado por imanes permanentes en lugar de por un devanado.
El principio de funcionamiento del generador síncrono se basa en la ley de Faraday. La corriente continua del rotor crea un campo magnético constante (o en su defecto el imán permanente), que al girar induce en los devanados del estator una tensión senoidal desfasada 120° en el tiempo, por el desfase de 120° en la disposición espacial de los de-vanados del estator. En su funcionamiento como motor, las tensiones trifásicas del esta-tor crean un campo magnético giraesta-torio, constante en módulo, que induce un par al roesta-tor debido al campo magnético del mismo. El par depende del ángulo entre el campo mag-nético del estator y del rotor, que nunca deberá ser mayor de 90°, dado que si se supera este límite la máquina perderá sincronismo.
La pérdida de sincronismo significa que la velocidad del rotor deja de estar acom-pasada con la frecuencia de la red a la que se conecta la máquina. Puede darse en má-quinas que funcionen como generadores o como motores, pero solo podrá darse si la
IMAGEN 1 | SECCIÓN DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES Y CINCO PARES DE POLOS
máquina no está conectada en isla. Las razones de la pérdida de sincronismo pueden ser
dos, la ya apuntada diferencia entre los ángulos de los campos magnéticos de estator y rotor mayor a 90°, y que el módulo del campo magnético del rotor sea insuficiente para “seguir” al campo magnético del estator, es decir una corriente de excitación demasiado baja comparada con la corriente del estator.
En máquinas que funcionen como motores la pérdida de sincronismo supone que la máquina no ejercerá par alguno, pero no pondrá en peligro la integridad de la máquina. En máquinas que funcionen como generadores, sin embargo, la perdida de sincronismo producirá un embalamiento de la máquina, dado que la fuente de energía mecánica que mueve al generador no encontrará par alguno que se oponga al par que está dando. El embalamiento, si no se controla rápidamente puede causar graves daños tanto en la má-quina síncrona como en la turbina o mámá-quina mecánica que estuviera acoplada al gene-rador, por lo que los generadores deben llevar siempre una protección de sobreveloci-dad.
Las máquinas síncronas tienen otras limitaciones, además de la derivada por la pér-dida de sincronismo. Como toda máquina eléctrica tienen un límite térmico de sus deva-nados, lo que limita tanto la corriente del rotor como del estator, o la potencia aparente máxima que puede entregar. Por otro lado, el aislamiento de los conductores puede rom-perse si se superan las tensiones máximas que la máquina puede soportar.
Como se ha podido intuir, las máquinas síncronas juegan un papel primordial en los sistemas eléctricos. Esta importancia, unido a las limitaciones que toda máquina tiene hace fundamental la regulación y control de los diferentes parámetros las máquinas, es-pecialmente tensión y frecuencia, así como prever las protecciones adecuadas.
Importancia de la regulación de tensión
El término regulación de tensión hace referencia al control de tensión en un punto determinado de una red eléctrica o de un aparato eléctrico o electrónico. Más concreta-mente, la regulación de tensión supone la habilidad de mantener constante o dentro de unos límites la tensión de los elementos nombrados arriba, de manera que se garantiza su estabilidad y correcto funcionamiento. En una máquina síncrona, la regulación de ten-sión es la capacidad de mantener constante la tenten-sión en bornes, independientemente de la carga conectada a la máquina o la potencia generada.
3.1.
Importancia de la regulación de tensión en máquinas síncronas
La regulación de la tensión de la máquina síncrona es fundamental para su correcto funcionamiento, tanto en régimen generador como motor. La tensión en bornes de las máquinas síncronas depende de la red a la que esté conectada la máquina. Si se trata de una red aislada en la que la máquina es el único punto de generación de energía eléctrica o la potencia de la máquina es comparable con la transmitida por la red, la tensión en bornes de la máquina es regida por la propia máquina, determinada por la corriente de excitación del rotor. Si la red a la que la máquina está conectada puede considerarse red infinita (la potencia que se transmite por la red es mucho mayor que la generada por la máquina), la tensión de la máquina viene determinada por la tensión de la red en el punto en el que la máquina es conectada. Este último caso es el que se da en la mayoría de
generadores de centrales eléctricas y prácticamente en todos los casos en motores sín-cronos.
En el caso de máquinas conectadas a redes aisladas, la regulación de tensión es fundamental para mantener la tensión suministrada dentro de los límites operativos de las cargas conectadas a la red, independientemente de la conexión o desconexión de cargas y de otros factores que puedan alterar la tensión.
En una máquina conectada a red infinita, la corriente de excitación no tiene influen-cia en la tensión en bornes, que la determina la red, sino que controla la poteninfluen-cia reactiva
que suministra o consume la máquina o, lo que es lo mismo, el factor de potencia de la
máquina. Por esta razón, los reguladores de tensión también son los encargados de re-gular el factor de potencia de las máquinas síncronas, lo que los hace fundamentales para la estabilidad de los sistemas eléctricos.
3.2.
Importancia de la regulación de tensión en sistemas eléctricos
La regulación y control de la tensión de los diferentes nudos de una red eléctrica es fundamental por varias razones:
1. Todos los equipos y aparatos presentes en las instalaciones eléctricas están dise-ñados para trabajar en un rango de tensión determinado, y si se conectan a una tensión distinta pueden no funcionar bien e incluso sufrir daños.
Una sobretensión prolongada puede causar graves daños en la mayoría
de equipos y aparamenta eléctrica debido a faltas de aislamiento.
Las subtensiones no provocan fallos por rotura de aislamiento, pero sí
pueden producir muchos problemas en aparamenta eléctrica como mo-tores asíncronos o contacmo-tores (que pueden llegar a no tener la fuerza suficiente para responder ante una orden de cerrar).
2. Es fundamental para la estabilidad del sistema eléctrico, ya que si la tensión no es controlada dentro de ciertos límites, puede desestabilizarse el sistema produ-ciéndose un colapso de tensión o black-out.
3. El punto 3 del artículo 103 del RD 1955/2000 (real decreto que regula las activi-dades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica) exige lo siguiente:
“Los límites máximos de variación de la tensión de alimentación a los
consumido-res finales serán de ± 7 por 100 de la tensión de alimentación declarada. No obstante,
este límite podrá ser modificado por el Ministerio de Economía en función de la
Elementos que producen o consumen potencia reactiva
Antes de abordar los distintos mecanismos utilizados para controlar la tensión, se debe considerar cuáles son los componentes de un sistema eléctrico que producen o consumen potencia reactiva:
Generadores síncronos:Pueden generar o consumir potencia reactiva dependiendo
de su excitación.
Líneas aéreas: En función de su carga, absorben o generan potencia reactiva. En
general, cuando están cargadas absorben reactiva, y cuando están descargadas la generan.
Cables subterráneos:Debido a su elevada capacidad distribuida, generan potencia
reactiva.
Transformadores: Siempre consumen potencia reactiva. Cuando están descargados
lo hacen por la reactancia de magnetización, y cuando están cargados por la reac-tancia en serie.
Cargas: Normalmente absorben potencia reactiva, si bien depende de la naturaleza
de la carga: las lámparas incandescentes y los sistemas de calefacción son resisti-vos, mientras los motores de inducción y las lámparas fluorescentes son inductivos. Las compañías eléctricas penalizan económicamente las cargas inductivas, por lo que los clientes industriales suelen compensar su consumo de potencia reactiva mediante la instalación de baterías de condensadores.
Métodos de control de tensión en redes eléctricas
Existen varias formas de regular la tensión en los nudos de las redes eléctricas. A diferencia de la regulación de frecuencia, que es un problema global de toda la red, la regulación de tensión es un problema local, estrechamente relacionado con los flujos de potencia reactiva. Algunos de los métodos para regular la tensión en redes son:
Compensadores permanentes: Generalmente reactancias conectadas al inicio y/o
Compensadores estáticos (SVC): Se trata de un compensador de tensión con
par-tes no móviles (a diferencia de los compensadores síncronos) que permiten gene-rar o consumir potencia reactiva. Funcionan mediante dispositivos semiconducto-res, normalmente tiristosemiconducto-res, que permiten conectar o desconecta reactancias y condensadores conectados en paralelo a la red.
Regulación de tomas en transformadores: Permiten regular la tensión en redes
ra-diales (redes de distribución). Pueden ser automáticos o manuales.
Compensadores síncronos y generadores síncronos: En ambos casos se trata de
una máquina síncrona. En ambos casos pueden tanto generar como consumir po-tencia reactiva, pero en el caso de los generadores, además, generan popo-tencia ac-tiva (están acoplados a una turbina). Esta capacidad está limitada por los márge-nes de funcionamiento de la máquina, fundamentalmente la corriente máxima en el devanado de campo y la corriente máxima en el devanado inducido. Esta forma de regulación es muy positiva para la red, ya que no introduce armónicos en la red, regula la tensión de forma continua sin transitorios y no causa problemas por resonancia eléctrica.
Regulación automática de tensión en
má-quinas síncronas.
La tensión en terminales de una máquina síncrona depende principalmente de la corriente de excitación que circule por el rotor, pero puede verse afectada por una serie de factores como la velocidad de la máquina, la carga a la que esté conectada, el factor de potencia o la temperatura de los devanados. Por lo tanto se hace necesario ajustar la corriente de excitación del rotor de la máquina en todo momento para mantener cons-tante la tensión en bornes, independientemente de los factores que puedan afectar al cambio de esta tensión.
La regulación podría realizarse de forma manual, midiendo la tensión en bornes y ajustando la corriente del rotor a través de un mecanismo manual (como un autotrans-formador regulable), de forma que el “regulador” propiamente dicho sería un ser hu-mano. Sin embargo en la mayoría de las aplicaciones de las máquinas síncronas esto no es posible, y se hace necesario dotarlas de un sistema automático de regulación de sión. En esto radica la necesidad e importancia de los reguladores automáticos de ten-sión, que deben ser capaces de medir la tensión en bornes, compararla con una consigna determinada (referencia), y actuar sobre el sistema de excitación del rotor de la máquina para ajustar la tensión al valor de referencia requerido.
4.1.
Tipos de excitatrices
El principal factor determinante a la hora de diseñar un regulador automático de tensión es la forma de conseguir la corriente de excitación del rotor de la máquina sín-crona. A la tecnología encargada de conseguir esta corriente se la denomina excitatriz, y debe ser capaz de generar una corriente continua regulable. Actualmente existen mu-chos tipos de excitatrices, si bien algunas han quedado ya en desuso. En general pueden clasificarse dentro de dos grandes grupos, máquinas con excitación estática y máquinas con excitación rotativa. Esta clasificación hace referencia a la fuente de la cual procede la
corriente continua del rotor, que puede ser fija (estática) o móvil (dinámica). Dentro de
las máquinas con excitación estática se encuentran los siguientes tipos:
Excitación independiente
En las máquinas que poseen excitación independiente la excitatriz es totalmente independiente de la máquina, toma la tensión de la instalación eléctrica en la que se en-cuentre ubicada la máquina (alterna), y la rectifica. Puede controlarse, por ejemplo, diante un autotransformador, o un rectificador controlado. La corriente llega al rotor me-diante anillos rozantes y escobillas.
El sistema de control del regulador actúa principalmente controlando la tensión que se aplica al rotor, que al tener una impedancia inductiva, provocará una corriente por la ley de Ohm. Lo más usado a día de hoy son los puentes rectificadores de tiristores, que pueden controlarse fácilmente con un controlador electrónico.
Generadores autoexcitados
Un generador autoexcitado es un generador en el que la energía necesaria para magnetizar el rotor se obtiene de bornes de la misma máquina. Es decir, la corriente con-tinua del rotor de la máquina proviene de la tensión en bornes de la misma máquina, que se rectifica y se reintroduce en el rotor. Este tipo de sistemas necesita de una batería auxiliar para arrancar, ya que cuando la máquina está parada no tiene tensión en bornes y por lo tanto no puede conseguir la corriente suficiente para magnetizar el rotor.
Este tipo de excitatriz es muy usada en máquinas grandes modernas, ya que las
hace más compactas y es totalmente independiente excepto en el arranque. Las
máqui-nas pequeñas con este tipo de excitación presentan problemas en el caso de producirse cortocircuitos cercanos.
Por otro lado, las máquinas con excitación rotativa obtienen la corriente continua a partir de máquinas rotativas auxiliares, que pueden ser máquinas de corriente continua u otras máquinas síncronas.
Excitación con máquina de corriente continua
En este tipo de excitación la excitatriz es una máquina de corriente continua, con el eje independiente o acoplado al eje de la máquina síncrona. En caso de que el eje esté acoplado, el propio giro de la máquina síncrona mueve a la máquina de continua, que
FIGURA 3 | ESQUEMA DE UNA EXCITATRIZ CON MÁQUINA DE CONTINUA FIGURA 2 | ESQUEMA DE UN GENERADOR AUTOEXCITADO
generará la corriente continua que precisa el rotor de la máquina síncrona. Esta corriente
puede introducirse en el rotor mediante anillos rozantes y escobillas.
Este método se encuentra actualmente en desuso debida a que las máquinas de continua presentan muchos problemas de conmutación a gran velocidad, y a que el co-lector de delgas es un elemento que se trata de evitar por los problemas que acarrea.
Excitación con máquina de corriente alterna
En este caso la excitatriz es otra máquina síncrona, con el eje acoplado a la máquina principal, que genera corriente alterna que posteriormente se rectifica mediante un rec-tificador controlado y se introduce en el rotor de la máquina principal. En los generadores grandes la excitación de esta excitatriz es proporcionada por una segunda excitatriz, lla-mada excitatriz piloto, para mejorar la rapidez de respuesta. Si hay excitatriz piloto, a la primera de las excitatrices se la llama excitatriz principal.
En cualquier caso, la última de las excitatrices (principal o piloto) es siempre una máquina de imanes permanentes (no necesita excitación). La excitatriz principal puede ser una máquina síncrona convencional, en cuyo caso se precisará de anillos rozantes y escobillas, o puede ser una máquina síncrona invertida, que evita el uso de escobillas y anillos.
Una máquina síncrona invertida tiene un principio de funcionamiento idéntico al de una máquina convencional, pero en este caso el devanado inducido se encuentra en el rotor, y el inductor en el estator por lo que circula corriente continua por el estator y alterna por el rotor. A este tipo de excitatrices se les llama “Brushless”, dado que no ne-cesitan un sistema de escobillas para hacer circular la corriente por el rotor (se genera en una máquina cuyo inducido es solidario al rotor). Esto representa una fuerte ventaja res-pecto al resto de excitatrices, ya que las escobillas y anillos rozantes necesitan mucho mantenimiento. También se las conoce como excitatrices de diodos giratorios, ya que la rectificación se hace de forma solidaria al rotor.
Dependiendo del tipo de excitatriz de la máquina el regulador de tensión realizará las actuaciones sobre la corriente del rotor de una forma o de otra, pero el fundamento será siempre el mismo. Básicamente se compondrá siempre de tres etapas: medida, con-trol y potencia.
La etapa de medida será la encargada de medir la tensión en bornes de la máquina,
que es la variable que se quiere controlar, así como otras señales dependiendo de que otras funciones se desea que desempeñe el regulador (limitador de corriente control del factor de potencia, etc.).
La etapa de control se encarga de comparar las medidas con la referencia, que
puede ser una consigna externa o interna, y tomar la decisión oportuna en cada caso (no hacer nada, subir o bajar tensión). También se encarga de generar las se-ñales de control que enviará a la etapa de potencia para ejecutar la decisión to-mada.
La etapa de potencia es básicamente la excitatriz de la máquina, que recibe las
ór-denes de la etapa de control y modifica la corriente del rotor en consecuencia.
Revisión de fabricantes
En esta sección se revisarán los principales modelos de AVR disponibles en el mer-cado. Se ha tratado de revisar las principales características de cada modelo, para poder hacer una comparación cualitativa. No ha sido posible obtener los precios de los produc-tos para poder compararlos, ya que este tipo de empresas solo facilita esta información a empresas que estén en condiciones de hacerles una oferta por el producto, pues se trata de una información estratégica de la empresa.
Basler Electric DECS-200 Excitation System
Basler Electric es una empresa Americana de montaje y producción de material eléctrico de potencia, especializada en sistemas de control y accionamientos de genera-dores y motores eléctricos.
El modelo “DECS – 200 Excitation System” es un sistema digital de control de exci-tación, con otras funciones de control y protección, diseñado específicamente para má-quinas con excitación rotativa tipo brushless. Sus principales características son:
Límites en la salida:
125 V dc
15 A dc
Precisión/sensibilidad: 0.25% de la referencia.
Tipo de regulación: Control de corriente continua del estator de la excitatriz
brushless.
Otras funciones incluidas
Arranque suave
Limitador de mínima corriente de excitación
Limitador de máxima corriente de estator
Protección tensión-frecuencia o V/Hz
Control de factor de potencia o potencia reactiva
ABB Unitrol
®1000-7
ABB es una empresa suiza dedicada a la producción y distribución de aparamenta eléctrica, con cinco líneas de negocio: Productos de potencia, sistemas de potencia, pro-ductos de automatización, automatización de procesos y robótica.
El ABB Unitrol® 1000-7 es un regulador de tensión compacto para máquinas síncro-nas pequeñas. Destaca por su pequeño tamaño, ya que es un único circuito impreso a diferencia de sus competidores que son sistemas que necesitan montarse en armarios de
equipamiento eléctrico. Posee una serie de funciones estándar y otras opcionales, que se presentan a continuación junto con las principales características:
Características:
Límites en la salida: 7 A dc
Precisión/sensibilidad: < 0.2% de la referencia.
Entradas y salidas:
- 4 entradas digitales
- 4 salidas digitales (o entradas)
- 3 entradas analógicas
- 2 salidas analógicas.
Funciones estándar:
Regulador de tensión con algoritmo de control PID
Regulador de factor de potencia con algoritmo de control PID
Regulador de potencia reactiva con algoritmo de control PID
Regulador de corriente de excitación (control manual)
Control de lazo abierto para la tensión de salida
Valores de referencia internos digitales
Función Soft-start (arranque suave)
Limitador de V/Hz
Limitador de corriente de excitación mínima
Limitador de corriente de excitación máxima
Limitador de tensión del estator
Limitador de corriente del estator (dependiente de la temperatura)
Reparto de potencia reactiva entre máquinas en paralelo
Igualación de tensiones antes de la sincronización
Detección de subtensión para activar boost de corriente externa para el
soporte de cortocircuito (compounding)
Función de prueba de escalón incorporada
Señales de Alarma y Disparo
Funciones opcionales:
Sincronización automática
Monitoreo de diodos rotantes
Estabilizador del sistema de potencia (PSS) según IEEE 2A/2B
Funciones de monitoreo mejoradas, para sistema redundante, tales como
monitoreo de TP (Transformadores de Potencia)
Modo “espera” o Stand-by para sistema con canal redundante de reserva.
General electric EX2100e
General Electric es una importante multinacional americana de infraestructura, ser-vicios financieros, y medios de comunicación altamente diversificada. Su origen se re-monta al siglo XIX con la fundación de la Edison General Electric Company, por el emi-nente inventor americano Thomas Alva Edison. Sus filiales GE Energy y GE Technology Infrasrtucture están dedicadas a la producción de sistemas en los sectores energéticos e infraestructuras, entre los que destacan la producción de grandes sistemas de generación de energía, desde los sistemas mecánicos a los eléctricos, incluyendo los controladores de los generadores.
El “GE EX2100e” es un AVR parte de la familia de controladores para turbinas de gas, vapor e hidráulicas de GE, basado en la regulación de corriente continua con transis-tor IGBT. Es compatible con varios sistemas de excitación, incluidos los brushless y los rotativos en corriente continua. Existen dos modelos, uno de 35 A de corriente máxima y
otro de 120 A. Las funciones adicionales que incluye (además de la regulación de tensión)
son:
Limitador de sobreexcitación
Limitador de subexcitación
Protección limitación V/Hz
Control de potencia reactiva y factor de potencia
Estabilizador del sistema de potencia (PSS)
Protección de pérdida de excitación
Protección de sobretensión del generador
Alstom Alspa
®ControGen
™HX
Alstom es una empresa francesa de equipamiento eléctrico, centrada en dos líneas de negocio: el sector ferroviario y la generación y distribución de energía eléctrica.
El AVR Alspa® ControGenTM HX es un sistema de control de excitación de
genera-dores movidos por turbinas hidráulicas, de vapor o de gas, con una amplia gama de mo-delos capaces de controlar desde unos pocos amperios hasta 10.000 A de corriente con-tinua. A continuación se muestran las funciones estándar del AVR:
Control completo digital de lazo cerrado
Modos de regulación de tensión, factor de potencia y potencia reactiva
Estabilizador del sistema de potencia (PSS) de acuerdo con las
recomendacio-nes IEEE
Limitadores de:
Corriente de estator
Sobreexcitación
Subexcitación
Tensión-frecuencia (V/Hz)
Conclusiones
Los reguladores automáticos de tensión tienen una importancia capital para el co-rrecto funcionamiento de las máquinas síncronas, ya que sin ellos la máquina no podría operar a tensiones constantes e independientes de factores externos como la carga a la que estén conectadas, las variaciones de velocidad o frecuencia de la máquina o la tem-peratura de los devanados.
El principal factor que condiciona al regulador es el actuador, que en este caso es la excitatriz de la máquina. Existen excitatrices de muchos tipos, pero en general pueden clasificarse en estáticas y rotativas.
Por último resaltar que la actuación de los reguladores se realiza siempre en tres etapas: medida de la tensión de salida para poder compararla con una referencia en el control, que decidirá si es necesario subir o bajar tensión enviando la orden al actuador o etapa de potencia.
Introducción
Una vez revisado el funcionamiento de las máquinas síncronas y las formas de con-seguir su regulación de tensión, se procede al diseño del regulador objeto de este pro-yecto. En este capítulo se explica detalladamente los diferentes cálculos y decisiones que se han tomado para diseñar del regulador. Se divide en dos partes principales, el diseño del hardware y el diseño del software. En el diseño del hardware se comienza realizando una especificación técnica del regulador que se va a diseñar, detallando después las dife-rentes partes del hardware: medida, control y potencia. En cuanto al diseño del software se han diferenciado dos partes, el software de medida y el software de control, imple-mentados en un mismo código pero en diferentes funciones.
Diseño del Hardware
2.1.
Especificación técnica
Las especificaciones de los reguladores automáticos de tensión dependen en gran medida de la máquina en la que se vayan a implementar. La parte de control será igual para cualquier máquina, pero los equipos de medida y la etapa de potencia están total-mente condicionados por las tensiones y corrientes nominales de la máquina así como por la corriente y tensión máxima del rotor.
Así pues, para desarrollar por completo el regulador es necesario conocer las espe-cificaciones de la máquina en la que se va a implantar. En este caso se ha escogido una de las máquinas del laboratorio de máquinas eléctricas de la ETSI ICAI, concretamente la
máquina del grupo 5 “Manuel Navajas”.
Se trata de una máquina síncrona pequeña, de 5 kVA, de dos pares de polos, y por lo tanto velocidad nominal de 1500 rpm. Su tensión nominal es de 230 V y su corriente nominal de 12.5 A, ambas para conexión en estrella. En cuanto al rotor, la corriente de excitación máxima es de 4.3 A y la tensión máxima 50 V. Los parámetros de la máquina síncrona se resumen en la siguiente tabla:
TABLA 1 | ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA EN LA QUE SE VA A IMPLEMENTAR EL REGULADOR
Conexión Tensión [V] Corriente [A]
Estrella 230 12.5
Triángulo 127 21.6
Potencia ··· 5 kVA Velocidad ··· 1500 rpm Frecuencia ··· 50 Hz Cos φ ··· 0.80 Iexc en vacío ··· 1.10 A
Iexc máxima ··· 4.30 A
Tensión max. rotor ··· 50 V
Por lo tanto, la etapa de medida del regulador deberá estar diseñada para medir por lo menos en el entorno de los 230 V, y la etapa de potencia debe ser capaz de manejar hasta 4.3 A. Siendo así, se sobredimensionarán todos los componentes para hacer el di-seño más robusto ante modos de funcionamiento inesperados, perturbaciones o fallos.
Por otro lado, otro factor limitante es la tarjeta de control a usar. En este caso se usará una tarjeta Arduino, cuyas entradas analógicas están limitadas entre 0 y 5 V y las salidas y entradas digitales son 0 V para el 0 digital y 5 V para el 1 digital.
2.2.
Módulo de medida
Para un regulador de tensión sencillo la variable principal a medir es la tensión en bornes de la máquina síncrona, que es la que el regulador debe mantener constante.
Por otro lado, en el intento de aumentar la tensión de salida, el regulador podría hacer circular una corriente mayor a la máxima permitida por el rotor de la máquina, pudiendo ocasionar una avería. Por este motivo, los reguladores deben ir siempre equi-pados de un limitador de corriente, de manera que nunca se sobrepase la corriente má-xima que puede circular por el rotor, para lo cual se hace necesario medir la corriente del rotor.
En un desarrollo posterior podría ser necesario medir la corriente en bornes de la máquina para, por ejemplo, regular la potencia reactiva que proporciona la máquina en el caso de estar conectada a la red.
Medida de tensión
Para la medida de tensión se utilizará un transformador de baja potencia (0.5 VA) de relación 230 V/9 V, conectado en el primario entre dos fases de bornes de la máquina.
La medida de tensión se realizará a través de uno de los pines de entrada analógica de la placa Arduino. Por defecto Arduino lee valores de tensión entre 0 y 5 V, aunque el límite superior puede aumentarse hasta los 12 V (dependiendo del modelo) usando el pin AREF. Para las medidas analógicas Arduino tiene una resolución de 10 bits, es decir que puede leer 1024 valores discretos que ajusta entre los límites a medir (en la práctica 1023). Se considera suficiente, pues, el límite por defecto de 0-5 V, que permitirá una resolución de medida de hasta 4.88 mV (resolución de 0.225 V de la tensión real, 0.098%).
Por tanto habrá que ajustar la señal (que será alterna de 50 Hz reducida previa-mente por el transformador) de manera que, en el peor caso, la tensión pico-pico no supere los 5 V y por supuesto no sea negativa en ningún momento. Para ello se habrá de reducir más aún la tensión y añadirle un offset. Para disminuir la tensión se usará un di-visor resistivo de tensión. El offset que se añadirá será de 2.5 V de manera que el valor medio de la señal sea aproximadamente 2.5 V en todo momento.
El circuito empleado para la medida de tensión es el mostrado en la Figura 5.
Se incluye un buffer, construido con un amplificador operacional, para conseguir un offset mucho más estable, ya que el buffer permite mantener la tensión constante independientemente de la corriente que se demande o, lo que es lo mismo, de la carga a la que esté conectada.
El valor de las resistencias R1 y R2 se ha escogido para reducir la tensión hasta un 10%
(para no superar en ningún caso los 5 V de tensión, aun cuando se produzcan ciertas sobretensiones) y conseguir una eficiencia suficiente, limitando la corriente que llega al Arduino (100 kΩ y 10 kΩ consiguen la misma relación que 100 Ω y 10 Ω, pero si las resis-tencias son más pequeñas pasará más corriente por ellas para una misma tensión). El mismo criterio se ha usado para determinar el valor de las resistencias R3 y R4, que esta
vez deben ser iguales ya que lo que buscamos es reducir la tensión en un 50%, de 5 V
hasta 2.5 V.
El condensador C1 actúa como “bypass”, proporcionando un camino de baja
impe-dancia a tierra para la señal alterna. Para conseguir baja impeimpe-dancia se necesita un con-densador de capacidad relativamente alta, por lo que se escoge un concon-densador electro-lítico (polarizado) de 10 μF.
Medida de corriente del rotor
La corriente del rotor de una máquina síncrona es siempre corriente continua. En este caso la corriente máxima permitida por la máquina es 4.3 A, que será el valor para el que se ajustará el sistema de medida.
Como se ha indicado ya, Arduino solo puede medir tensiones entre 0 y 5 V, luego para medir corriente será necesario conseguir una señal de tensión proporcional a la co-rriente que se quiere medir. Existen varias formas de hacer esto.
Tradicionalmente para este tipo de medidas se ha usado lo que se conoce como resistencias shunt, que son resistencias de pequeño valor y mucha precisión, que al pasar corriente por ellas ocasionarán una caída de tensión proporcional, según la ley de Ohm. Este sistema tiene la ventaja de ser muy sencillo y robusto, pero el inconveniente de in-troducir un elemento resistivo en el circuito y proporcionar una señal de medida no ais-lada galvánicamente del circuito principal (lo cual puede ser un inconveniente o no de-pendiendo del aparato de medida). Para la medida con Arduino este inconveniente hace a este sistema inviable, ya que Arduino mide tensiones entre el pin analógico y el pin
ground, que estará conectado también a otros elementos del circuito de potencia, lo que
puede ocasionar un cortocircuito.
Se ha optado como solución usar un transductor electrónico de corriente, que transforma directamente la medida de corriente continua en una señal de tensión pro-porcional, proporcionando aislamiento galvánico entre el circuito de corriente y el de medida. El único problema que suelen tener estos transductores es que la resolución no suele ser muy alta, aunque la precisión sí.
Se ha buscado un transductor que mida corriente continua, cuya corriente máxima sea cercana a la corriente que queremos medir para conseguir la mejor precisión posible, que proporcione aislamiento galvánico y la mejor sensibilidad posible. De entre todos los disponibles en el mercado, el que mejor se ajustaba a las características ha sido un mo-delo LEM, el “LTS 6-NP”, con las siguientes características principales1:
TABLA 2 | CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR LEM LTS 6-NP
Intensidad primaria nominal (IPN) 6 A
Tensión de salida (VOUT) A IP 2.5±(0.625·IP/IPN) V
A IP = 0 2.5 V
Tensión de alimentación (Vc) 5 V
Precisión (a IPN, TA=25C) ± 0.2 %
Error de linealidad < 0.1 %
1 Para conocer el resto de características consultar la datasheet del transductor en el Anexo II. FIGURA 6 | CIRCUITO DE MEDIDA DE CORRIENTE
2.3.
Módulo de potencia
El módulo de potencia es el encargado de conseguir la corriente continua de exci-tación del rotor, de manera que pueda responder a las señales de la etapa de control aumentando o disminuyendo la corriente.
Por las condiciones de la máquina a ensayar y del laboratorio de máquinas eléctri-cas la excitación será independiente, es decir, que la fuente de tensión de la que se ob-tendrá la corriente será totalmente independiente de la máquina, en concreto procederá de la instalación de baja tensión del laboratorio.
Por lo tanto el circuito de potencia tendrá que ser capaz de rectificar la tensión alterna de la red y proporcionar un control sobre la tensión continua obtenida. Para ello hay dos posibilidades: usar un puente rectificador controlado de tiristores, o rectificar la señal en un puente no controlado de diodos y posteriormente controlar la tensión conti-nua mediante un troceador o “chopper”.
Rectificador controlado
El elemento fundamental que permite la rectificación controlada de corriente al-terna es el tiristor, también llamado SCR (Semiconductor Controlled Rectifiers). Los tiris-tores tienen propiedades similares a los diodos y se diferencian de éstos en que puede controlarse el momento en el cual empiezan a conducir a través de un impulso de co-rriente en su puerta (G). Esta propiedad hace que los mismos circuitos que se usan para construir los rectificadores convencionales no controlados puedan usarse para los recti-ficadores controlados, sustituyendo los diodos por tiristores.
En el caso del rectificador monofásico, la configuración más habitual es la del
recti-ficador de doble onda. Para realizar el control de la rectificación se retrasa el momento en el que los tiristores comienzan a conducir respecto al momento en el cual empezarían a conducir los diodos (0°), de manera que cuanto mayor sea el retraso (o ángulo de dis-paro), menor será el valor medio de la onda rectificada, según se muestra en la ecuación ( 1 ).
𝑉𝑐𝑐 =
2𝑉𝑚
𝜋 𝑐𝑜𝑠𝛼 ( 1 )
Rectificador no controlado y chopper
Otra manera de regular corriente continua a partir de una fuente de corriente al-terna es rectificando la corriente, y posteriormente haciendo un control sobre la co-rriente continua. La rectificación se hace habitualmente mediante un rectificador de do-ble onda de diodos. El valor medio de la tensión continua obtenida puede modificarse mediante un troceador o “chopper”.
Los chopper directos (o reductores de tensión) utilizan interruptores estáticos para “recortar” la tensión de alimentación consiguiendo un control sobre el valor medio de la tensión de salida, cumpliendo siempre la condición ( 2 ). La tensión de salida dependerá del tiempo en que el interruptor estático esté conduciendo (tON), según la ecuación ( 3 ).
Donde VS es la tensión de la fuente de corriente continua de entrada y Vcc el valor
medio de la tensión de salida.
𝑉𝑐𝑐 = 𝑡𝑂𝑁
𝑇 𝑉𝑆 ( 3 )
El parámetro 𝑘 =𝑡𝑂𝑁𝑇 define el ciclo de trabajo (duty cycle), que afectará de igual
manera al valor medio de la corriente:
𝐼𝑆 = 𝑘 ∙ 𝐼𝐶𝐶 =
𝑡𝑂𝑁
𝑇 𝐼𝐶𝐶 ( 4 )
Como interruptor estático pueden usarse varios elementos, desde transistores MOSFET o IGBT hasta tiristores GTO o de conmutación forzada.
Comparando los dos sistemas expuestos para controlar corriente continua, el chop-per presenta ciertas ventajas frente al rectificador de doble onda controlado:
Los rectificadores monofásicos controlados generan una tensión de salida de mala
calidad, sobre todo atendiendo al rizado (la frecuencia de la onda y de la conmuta-ción es la de la red, 50Hz), mientras que los chopper obtienen un rizado menor ya que pueden conmutar a frecuencias mucho mayores.
Atendiendo a la complejidad del control, el puente controlado requiere de un
con-trolador que coordine los cuatro tiristores y genere los pulsos de corriente que los
𝑉𝑐𝑐 ≤ 𝑉𝑆 ( 2 )
activan. Estos controladores comercialmente son difíciles de encontrar para bajas
potencias y además son bastante caros, mientras que si optamos por diseñarlo el problema sería bastante complejo. Por su parte el chopper no necesita más control que el que exija el interruptor estático que se use y algunos pueden controlarse directamente a partir del PWM generado por un microcontrolador.
Por estas dos razones principalmente se escoge el sistema rectificador no contro-lado y chopper como circuito de potencia.
En el diseño de un chopper el elemento principal a diseñar es el interruptor está-tico. Para que pueda ser controlado directamente por un microcontrolador se busca un interruptor que pueda controlarse mediante pulsos de tensión de 5V. Los elementos con-trolados por tensión que cumplen estas características son los transistores MOSFET e IGBT. El MOSFET alcanza velocidades de conmutación mayores, mientras que el IGBT pre-senta menor caída de tensión en conducción. Las velocidades típicas (máximas) de con-mutación de un IGBT son del orden de 20kHz y puesto que los microcontroladores ATmel que se usarán pueden generar PWM de frecuencias de 1 kHz como máximo es más que suficiente, mientras que como hemos dicho la caída de tensión en conducción es muy pequeña.
Por lo tanto se escoge utilizar un transistor IGBT, que deberá ser de tipo “logic-level” para que permita un paso de corriente suficiente cuando en la puerta (“G”) haya una tensión de aproximadamente 5V. El modelo propuesto es el STGP18N40LZ de STMi-croelectronics cuyas curvas características son las mostradas en la Figura 11.
Este IGBT tiene una intensidad máxima entre puerta y emisor (IGES) de 830μA. Esta
intensidad deberá ser provista por Arduino, que como mucho puede dar 40mA, que es
suficiente. La velocidad de conmutación máxima de este IGBT es de 1 kHz, lo cual deberá ser tenido en cuenta a la hora de diseñar el software (la frecuencia PWM generada nunca podrá superar 1 kHz).
Los diodos, tanto del puente rectificador como del chopper, deberán tener por lo menos las siguientes características:
TABLA 3 | CARACTERÍSTICAS MÍNIMAS DIODOS DE POTENCIA
Tensión inversa de ruptura
Tensión inversa repetitiva de pico VRRM 55V
Tensión inversa de pico de funcionamiento VRWM 55V
Tensión de bloqueo en cc VR 55V
Corriente máxima con polarización directa I0 5 A
El diodo escogido es un diodo P600M, con tensión inversa de ruptura de 1000 V y una corriente máxima directa de 6 A.
Para el puente se ha escogida un puente de encapsulado BU de la marca VISHAY® del modelo BU1010A, con corriente máxima de 10 A y tensión máxima repetitiva de pico de 1000 V.
Transformador de potencia
La tensión máxima del rotor de la máquina es 50 V. Aunque el valor medio de la tensión, si se controla, nunca superará este máximo, si lo harán los “picos” que serán los picos de la tensión rectificada no recortada por el chopper. En principio esto no debería ser un problema, pero un funcionamiento continuado en este estado puede dañar la má-quina. Para evitar este problema es necesario introducir un transformador de potencia entre la fuente de tensión (fase y neutro de la red de BT del laboratorio) y el rectificador de diodos, de manera que la tensión máxima nunca supere los 50 V.
El transformador debe tener una relación 230 V/50 V o similar, y soportar al menos una corriente de salida de 5 A.
Se escoge un transformador de relación de transformación 230 V/50 V, y potencia nominal 300 VA. Posee dos salidas cada una de 150 VA, que conectadas en paralelo dan la potencia nominal, que permite una corriente de hasta 6 A.
2.4.
Módulo de control
Como ya se ha mencionado anteriormente, el principal componente del módulo de control es la tarjeta Arduino. Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una
placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo. Existen varios modelos con
diferentes microcontroladores, lo que conlleva diferentes velocidades, diferente número de entradas/salidas, diferentes funciones, en resumen, diferentes características que de-berán ser valoradas.
A continuación se detalla en una tabla las principales características de varios mo-delos Arduino:
TABLA 4 | COMPARATIVA DE MODELOS ARDUINO
Modelo Voltaje entrada Voltaje sistema Frecuencia del reloj Digital I/O Entradas
analógicas PWM
Memoria flash Arduino Due 5-12V 3.3V 84MHz 54 12 12 512Kb Arduino Uno 7-12V 5V 16MHz 14 6 6 32Kb Arduino Mega 7-12V 5V 16MHz 54 16 14 256Kb
Se necesitan dos entradas analógicas para la medida de tensión y corriente, una tercera si se quiere introducir la referencia a través de un potenciómetro, y una cuarta para un futuro desarrollo en el que se incluya la regulación de potencia reactiva, para medir la intensidad de salida de la máquina síncrona.
En cuanto a las salidas solo será necesaria una salida PWM que envíe la señal de control a la etapa de potencia.
El voltaje del sistema deberá ser de 5 V según el circuito de medida diseñado, aun-que podría diseñarse otro circuito aun-que permitiera usar el Arduino con voltaje 3.3V.
La frecuencia del reloj marca la velocidad a la que puede tomar decisiones el mi-crocontrolador. En los microcontroladores AVR de ATmel (los usados en Arduino) los ci-clos de programa se realizan con cada ciclo del reloj, es decir, que un microcontrolador de 16 MHz puede tomar decisiones cada 62.5 ns y uno de 84 MHz cada 11.9 ns. 16 MHz se considera una velocidad suficiente para el regulador, ya que al ser la frecuencia de la máquina 50 Hz un ciclo de la señal a medir durará 20 ms y por tanto las decisiones podrán tomarse como mucho a esa velocidad.
La memoria flash limita el tamaño del programa que puede almacenar el
microcon-trolador. Normalmente 32 kb es suficiente en los programas no muy complejos si se op-timizan bien los códigos y el uso de las variables. Tras todas estas valoraciones se puede concluir que todos los modelos son válidos, si bien el que mejor se ajusta es el Arduino Uno. El Arduino Mega y el Due tienen mejores prestaciones pero en este caso no son necesarias, por lo que supondrían un aumento innecesario del coste (ya que Arduino
Mega y Due son más caros que Arduino Uno).
La función principal del módulo de control es medir la tensión a la salida de la má-quina, compararla con una tensión de referencia, y enviar una señal al módulo de poten-cia para que modifique la tensión si ésta no coincide con la de referenpoten-cia. La referenpoten-cia de tensión es por tanto el valor de tensión que el regulador va a intentar mantener cons-tante a la salida de la máquina. Puede introducirse como una conscons-tante del código, y por tanto no modificable, o como una variable a través de un circuito externo que permita modificarlo. En este caso resulta bastante útil poder controlar el valor de la referencia por dos razones: la primera y principal es que la máquina puede conectarse tanto en estrella como en triángulo y la tensión nominal es diferente para cada conexión (230V triangulo 127V estrella), la segunda es que permite al regulador seguir consignas exter-nas, y no solo la tensión nominal.
Se decide por tanto introducir la referencia de forma externa. Una forma sencilla y adecuada es usar un potenciómetro lineal para generar una señal variable de tensión
